JP2018114536A - 接合方法および接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】第１被接合材と第２被接合材の接合時の温度制御を容易化でき、融液相を界面から確実に排除でき、接合部の機械的特性や接続信頼性を向上でき、またコストの低廉化を図り得る接合方法および接合体を提供する。【解決手段】第１被接合材（Ｍ１）と、第２被接合材（Ｍ２）とを接合するための接合方法であって、第１被接合材および第２被接合材のうち硬度がより高い側の被接合材に、他方側の被接合材と点接触可能な凸部（インデント部１０）を形成する工程と、第１被接合材と第２被接合材との間に犠牲材を介在させる工程と、凸部により、第１被接合材と犠牲材、または第２被接合材と犠牲材とを点接触させる工程と、第１被接合材、犠牲材および第２被接合材を接触させた状態で加圧しつつ、所定時間にわたって加熱処理して、第１被接合材と第２被接合材との界面に有る犠牲材の融液相を排除する工程と、加熱処理後に、第１被接合材および第２被接合材を冷却する工程とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、接合方法および接合体に関する。

従来から、銅（Ｃｕ）を含む第１被接合材とアルミニウム（Ａｌ）を含む第２被接合材との接合方法は、種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

従来の接合方法では、例えば銅を含む第１被接合材とアルミニウムを含む第２被接合材との抵抗溶接において、加熱温度を共晶温度以上で融点未満としている。

そして、第１被接合材と第２被接合材の接触部に融液相が形成された時点で加熱処理を終了し、２次加圧を行って、接触部から融液相を排出して第１被接合材と第２被接合材とを接合している。

特開２０１１−１４００４９号公報

ところが、従来技術では、加熱温度の制御を行い難い特性を有するアルミニウムについて、加熱温度が共晶温度（５４８℃）以上で融点（Ａｌ：６６０℃）の間となるように加熱装置を制御することが非常に難しいという不都合があった。

また、第１被接合材と第２被接合材の接触部に融液相が形成された時点で加熱処理を終了した後、２次加圧のみによって融液相を界面から排除することが困難であるという問題もあった。

さらに、変位検出手段が必要となり、コストが嵩むという難点もあった。

また、従来技術では、銅とアルミニウムとの界面に、硬度が高く脆い金属間化合物が生成され、接合部の機械的特性が大幅に低下するという問題があった。また、アルミニウム表面の酸化被膜の影響により、異種金属と接続した際に抵抗値の増加や接続信頼性が低下するという問題もあった。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、第１被接合材と第２被接合材の接合時の温度制御を容易化することができ、融液相と酸化被膜を界面から確実に排除することができ、接合部の機械的特性と接続信頼性を向上でき、またコストの低廉化を図ることができる接合方法および接合体を提供することにある。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の接合方法は、第１被接合材と、第２被接合材とを接合するための接合方法であって、前記第１被接合材および前記第２被接合材のうち硬度がより高い側の被接合材に、他方側の被接合材と点接触可能な凸部を形成する工程と、前記第１被接合材と前記第２被接合材との間に犠牲材を介在させる工程と、前記凸部により、前記第１被接合材と前記犠牲材、または前記第２被接合材と前記犠牲材とを点接触させる工程と、前記第１被接合材、前記犠牲材および前記第２被接合材を接触させた状態で加圧しつつ、所定時間にわたって加熱処理して、前記第１被接合材と前記第２被接合材との界面に有る前記犠牲材の融液相を排除する工程と、前記加熱処理後に、前記第１被接合材および前記第２被接合材を冷却する工程と、を有することを特徴とする。

請求項１に記載した接合方法によれば、犠牲材を介在させることにより接合時の温度制御を容易化することができる。

また、前記第１被接合材と前記第２被接合材との界面に有る前記犠牲材の融液相を確実に排除することができ、接合部の強度を高めるなど機械的特性や接続信頼性を向上させることができる。

さらに、従来のように変位検出手段を要しないので、コストの低廉化を図ることができる。

請求項２に記載の接合方法は、請求項１記載の発明について、第１被接合材は銅又は銅を主とする合金であり、第２被接合材はアルミニウム又はアルミニウムを主とする合金であることを特徴とする。

これにより、銅系とアルミニウム系とから構成される第１被接合材と第２被接合材との接合部の強度を高めるなど機械的特性や接続信頼性を向上させることができる。

請求項３に記載の接合方法は、請求項１または請求項２に記載の発明について、前記犠牲材は、錫材（Ｓｎメッキ層Ｍ３）または亜鉛材で構成されることを特徴とする。

これにより、接合時の温度制御を容易化することができる。

請求項４に記載の接合方法は、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の発明について、前記加熱処理は、２２８℃〜６６０℃の温度範囲で行われることを特徴とする。

これにより、従来に比して温度制御が容易となり、また接合時に投入するエネルギーを減らすことができるので、コストの低減を図ることができる。

請求項５に記載の接合方法は、請求項１から請求項４の何れか１項に記載の発明について、前記加熱処理を行う前記所定時間は、３ｍｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃであることを特徴とする。

これにより、加熱処理を比較的短時間で終了して、前記第１被接合材と前記第２被接合材との界面における金属間化合物の生成、成長を抑制することができ、接合部の機械的特性や接続信頼性を向上させることができる。

請求項６に記載の接合方法は、請求項３から請求項６の何れか１項に記載の発明について、前記錫材または前記亜鉛材は、前記第１被接合材の表面に錫メッキ層（Ｍ３）または亜鉛メッキ層として形成されていることを特徴とする。

これにより、前記第１被接合材と前記第２被接合材との間に別途錫材または亜鉛材を用意して挟む必要がなく、工程を簡易化して、効率的に接合体を生産することができる。

請求項７に記載の接合方法は、請求項１から請求項６の何れか１項に記載の発明について、前記加熱処理において、前記犠牲材の溶融に伴って、前記第２被接合材の表面に形成されている酸化膜は破壊（分断）され、前記融液相と共に排除されることを特徴とする。

これにより、接合部の強度を高めるなど機械的特性や接続信頼性を向上させることができる。

請求項８に記載の接合体は、請求項１から請求項７の何れか１項に記載の接合方法により接合された接合体であって、前記第１被接合材と前記第２被接合材との界面には、厚さ０．５μｍ〜３μｍの反応層が形成されていることを特徴とする。

これにより、反応層に金属間化合物が含まれる場合であっても接合部の機械的特性や接続信頼性への影響を抑制した接合体を提供することができる。

本発明によれば、第１被接合材と第２被接合材の接合時の温度制御を容易化することができ、融液相を界面から確実に排除することができ、接合部の機械的特性や接続信頼性を向上でき、またコストの低廉化を図ることができる接合方法および接合体を提供することができる。

本発明に係る接合方法を適用する被接合材の状態を示す斜視図である。 本発明に係る接合方法を適用する被接合体等を示す断面図である。 本発明に係る接合方法を適用する被接合材のインデント部の構成例を示す断面図（ａ）〜（ｃ）である。 本発明に係る接合方法を実施可能な接合装置の概略構成を示す概略構成図である。 本発明に係る接合方法における接合工程の流れを示す工程図である。 本発明に係る接合方法を適用した接合体を示す断面図である。 本発明に係る接合方法を適用した接合体の接合界面の状態を示すＳＥＭ撮像図である。

以下、本発明に係る接合方法および接合体２００について図１〜図７を参照して説明する。

（接合工程の概要）
図１は、本発明に係る接合方法を適用する被接合材の状態を示す斜視図、図２は、被接合体等を示す断面図、図３（ａ）〜（ｃ）は、被接合材のインデント部の構成例を示す断面図、図４は、本発明に係る接合方法を実施可能な接合装置１００の概略構成を示す概略構成図、図５は、本発明に係る接合方法における接合工程の流れを示す工程図である。

図１に示す例では、銅又は銅を主とする合金からなる第１被接合材Ｍ１の表面側に、犠牲材の一種である錫材としてＳｎメッキ層Ｍ３が形成されている。

なお、Ｓｎメッキ層Ｍ３の形成に代えて、板状またはシート状の錫材を配置するようにしてもよい。

また、錫材に代えて亜鉛材（亜鉛メッキ）を犠牲材として用いてもよい。

また、アルミニウム又はアルミニウムを主とする合金からなる第２被接合材Ｍ２と対向する位置には、頂点Ｐで点接触可能な凸部（インデント部）１０が形成されている。

なお、銅のビッカース硬さは０．８０Ｇｐａであり、アルミニウムのビッカース硬度は０．５０Ｇｐａである。従って、第２被接合材Ｍ２より硬い第１接合材Ｍ１の方が硬度が高く、硬度が硬い部材に凸部（インデント部）１０が形成されている。

ここで、錫（Ｓｎ）は、銅（Ｃｕ）およびアルミニウム（Ａｌ）よりも融点が低くい特性を有している。即ち、Ａｌの融点は６６０℃、Ｃｕの融点は１０８４．５℃であるのに対して、Ｓｎの融点は２３１．９６℃である。

また、Ｓｎは、２３０℃付近でＣｕおよびＡｌと共晶反応を起こす物性を有している。

このようなＳｎの物性により、ＳｎがＣｕ，Ａｌと共晶反応を起こす温度まで加熱することによって、第１被接合材Ｍ１および第２被接合材Ｍ２の表面を僅かに溶かし、その溶融相ごと界面から排除することにより、第１接合部材Ｍ１及び第２被接合材Ｍ２の表面に存在し、接合の阻害要因となる酸化膜を同時に除去することができる。

また、接合する部材が異なる部材であった場合、硬度が高い部材に凸部（インデント部）１０を設けることにより、凸部（インデント部）１０が変形することがない。

インデント部１０は、例えば図３（ａ）〜（ｃ）に示すような形状とすることができる。

図３（ａ）に示すインデント部１０ａでは、断面形状が円弧の一部で構成されている。

また、図３（ｂ）に示すインデント部１０ｂでは、断面形状が三角状とされている。また、図３（ｃ）に示すインデント部１０ｃでは、断面形状が台形状あるいは山型状とされている。

そして、図１に示すように、第１被接合材Ｍ１に対して、第２被接合材Ｍ２をＤ１方向に降下させることにより、第１被接合材Ｍ１側のインデント部１０（１０ａ〜１０ｃ）の頂点Ｐは、第２被接合材Ｍ２と点接触される。

第１被接合材Ｍ１と第２被接合材Ｍ２とは、インデント部１０で接触された状態で、一対の第１電極Ｅ１、第２電極Ｅ２の間に挟まれて保持される。

この状態で第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２の間に圧力を付与しつつ、所定電圧の電力を供給することにより、第１被接合材Ｍ１と第２被接合材Ｍ２との界面（Ｓｎメッキ層Ｍ３を含む）が溶融されて、第１被接合材Ｍ１と第２被接合材Ｍ２とが接合される。

より具体的には、図４に示すような接合装置１００を用いて、図５に示す接合工程Ｓ１０〜Ｓ１２等が実施される。詳細については後述する。

（接合装置について）
ここで、図４を参照して、本発明に係る接合方法を適用可能な接合装置１００の概略構成について説明する。

接合装置１００は、図４に示すように、固定された第１電極Ｅ１に対向してＤ１方向に所定のアクチュエータ（図示せず）によって昇降可能な第２電極Ｅ２が設けられている。

これにより、第１電極Ｅ１上に載置される接触状態の第１被接合材Ｍ１と第２被接合材Ｍ２とが、降下した第２電極Ｅ２によって加圧状態で保持されるように構成されている。

第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２は、電源装置１０６に接続されている。

また、第１被接合材Ｍ１と第２被接合材Ｍ２との接触位置の近傍には、エアノズル等を備える冷却装置１０８が設けられている。

電源装置１０６、冷却装置１０８および図示しないアクチュエータ等は、マイクロコンピュータ等で構成される制御装置１０９に接続されている。

（接合工程）
このような接合装置１００を用いて図５に示すような接合工程が実施される。なお、一部の工程については図示を省略する。

まず、第１被接合材Ｍ１には、点接触可能な凸部（インデント部）１０が、押出し加工等により形成される。

なお、インデント部１０を形成する工程は、接合装置１００にインデント形成用の装置を設けて実施してもよいし、他の装置により予めインデント部１０を形成するようにしてもよい。

また、本実施形態では、第１被接合材Ｍ１にのみインデント部１０を形成しているが、これに限らず第１被接合部材Ｍ１と第２被接合部材の硬度が高い部材側にインデント部１０を形成すればよい。また、第１被接合部材Ｍ１と第２被接合部材の硬度が同等であった場合、インデント部はどちらに設けてもよい。

次いで、第１被接合材Ｍ１と第２被接合材Ｍ２との間に錫材Ｍ３を介在させる工程が実施される。なお、本実施形態では、第１被接合材Ｍ１の表面にＳｎメッキ層（錫材を構成する）Ｍ３が形成されており、このメッキ工程が、「錫材Ｍ３を介在させる工程」に相当する。

次に、接合装置１００の第１電極Ｅ１上に第１被接合材Ｍ１と第２被接合材とを載置し、第２電極Ｅ２を降下させて、インデント部１０により第１被接合材Ｍ１と第２被接合材Ｍ２とをＳｎメッキ層Ｍ３を介して点接触させる工程（図５のＳ１０）が実施される。

続いて、第２電極Ｅ２をさらに降下させて、第１被接合材Ｍ１、Ｓｎメッキ層Ｍ３および第２被接合材Ｍ２を接触させた状態で加圧しつつ、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２とに通電して所定時間にわたって加熱処理を行う。

なお、加熱処理における温度は、制御装置１０９の制御により２２８℃〜６６０℃の温度範囲となるように温度制御される（例えば、犠牲材が錫の場合２２８℃〜６６０℃、犠牲材が亜鉛の場合３８０℃〜６６０℃）。

これにより、第１被接合材Ｍ１、Ｓｎメッキ層Ｍ３と第２被接合材Ｍ２とを溶融させると共に、界面に有るＳｎメッキ層Ｍ３等の融液相を排除する工程（図５のＳ１１）が実施される。また、加圧することにより第１接合材Ｍ１と第２接合材Ｍ２の表面にある酸化被膜を破壊し、互いの素地同士を接触させることができる。

そして、加熱処理の終了後に、冷却装置１０８を稼働させて、第１被接合材Ｍ１および第２被接合材Ｍ２を冷却する工程（図５のＳ１２）が実施されて、接合体２００（図６および図７参照）が作製される。

このような接合方法によれば、錫材（Ｓｎメッキ層）Ｍ３を介在させることにより接合時の温度制御を容易化することができる。

即ち、従来技術では、共晶温度（５４８℃）以上で融点（Ａｌ：６６０℃）以下という比較的狭い温度範囲で難易度の高い温度制御が必要とされたが、本発明に係る接合方法では、２２８℃〜６６０℃という比較的広い温度範囲において比較的容易に制御することが可能となる。さらに、接合時に投入するエネルギーを減らすことができるので、コストの低減を図ることができる。

また、加圧により、第１被接合材Ｍ１と第２被接合材Ｍ２との界面に有る錫材Ｍ３の融液相を確実に排除することができ、接合部の強度を高めるなど機械的特性、接続信頼性を向上させることができる。

さらに、従来技術のように変位検出手段を要しないので、コストの低廉化を図ることができる。

また、加熱処理を行う時間は、３ｍｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃとするとよい。

これにより、加熱処理を比較的短時間で終了して、第１被接合材Ｍ１と第２被接合材Ｍ２との界面における金属間化合物の生成、成長を抑制することができ、接合部の機械的特性を向上させることができる。

また、加熱処理において、錫材（Ｓｎメッキ層）Ｍ３の溶融に伴って、第２被接合材Ｍ２の表面に形成されている酸化膜（アルミニウム酸化膜）破壊（分断）され、融液相と共に排除される。

これにより、接合阻害要因となる酸化膜を除去できるので、接合部の強度を高めるなど機械的特性を向上させることができ、また、酸化膜による抵抗値の増加を防止することができるので接続信頼性を向上させることができる。

また、本発明に係る接合方法により接合された接合体２００は、第１被接合材Ｍ１と第２被接合材Ｍ２との界面に、厚さ０．５μｍ〜３μｍの反応層２０が形成される（図７の接合界面ＳＥＭ像を参照）。

これにより、反応層２０に金属間化合物が含まれる場合であっても接合部の機械的特性への影響を抑制することができる。

Ｍ１…第１被接合材
Ｍ２…第２被接合材
Ｍ３…錫材（Ｓｎメッキ層：犠牲材）
１０（１０ａ〜１０ｃ）…凸部（インデント部）
２０…反応層
１００…接合装置
２００…接合体
Ｅ１…第１電極
Ｅ２…第２電極

Claims (8)

1. 第１被接合材と、第２被接合材とを接合するための接合方法であって、
   前記第１被接合材および前記第２被接合材のうち硬度がより高い側の被接合材に、他方側の被接合材と点接触可能な凸部を形成する工程と、
   前記第１被接合材と前記第２被接合材との間に犠牲材を介在させる工程と、
   前記凸部により、前記第１被接合材と前記犠牲材、または前記第２被接合材と前記犠牲材とを点接触させる工程と、
   前記第１被接合材、前記犠牲材および前記第２被接合材を接触させた状態で加圧しつつ、所定時間にわたって加熱処理して、前記第１被接合材と前記第２被接合材との界面に有る前記犠牲材の融液相を排除する工程と、
   前記加熱処理後に、前記第１被接合材および前記第２被接合材を冷却する工程と、
   を有することを特徴とする接合方法。
2. 第１被接合材は銅又は銅を主とする合金であり、第２被接合材はアルミニウム又はアルミニウムを主とする合金であることを特徴とする請求項１記載の接合方法。
3. 前記犠牲材は、錫材または亜鉛材で構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合方法。
4. 前記加熱処理は、２２８℃〜６６０℃の温度範囲で行われることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の接合方法。
5. 前記加熱処理を行う前記所定時間は、３ｍｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃであることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の接合方法。
6. 前記錫材または前記亜鉛材は、前記第１被接合材の表面に錫メッキ層または亜鉛メッキ層として形成されていることを特徴とする請求項３から請求項５の何れか１項に記載の接合方法。
7. 前記加熱処理において、前記犠牲材の溶融に伴って、前記第２被接合材の表面に形成されている酸化膜が破壊され、前記融液相と共に排除されることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１項に記載の接合方法。
8. 請求項１から請求項７の何れか１項に記載の接合方法により接合された接合体であって、前記第１被接合材と前記第２被接合材との界面には、厚さ０．５μｍ〜３μｍの反応層が形成されていることを特徴とする接合体。